armonici - sier romania · 2013-10-08 · vor fi compensate numai armonicile de curent electric din...

Armonici

Ghid de Aplicare - Calitatea Energiei Electrice

3.3.3

Armonici

Membră a E U R E L

Filtre active de reţea

Grade

Cur

ent (

A)

Armonici Filtre active de reţea

Shri Karve

MGE UPS Systems Ltd Martie 2001

(Versiunea 0b Noiembrie 2001)

European Copper Institute (ECI) European Copper Institute este un joint venture între ICA (International Copper Association) şi membrii IWCC (International Wrought Copper Council). Prin membrii săi, ECI acţionează în numele celor mai mari producători de cupru din lume şi a principalilor prelucrători din Europa, pentru promovarea cuprului în Europa. Apărută în ianuarie 1996, ECI are suportul unei reţele de zece Copper Development Association („CDAs”) în Benelux, Franţa, Germania, Grecia, Ungaria, Italia, Polonia, Scandinavia, Spania şi Regatul Unit. ECI continuă eforturile întreprinse iniţial de către Copper Products Development Association, apărută în 1959 şi INCRA (International Copper Research Association), apărută în 1961. Societatea Inginerilor Energeticieni din România Societatea Inginerilor Energeticieni din România - SIER, constituită în 1990, este o asociaţie profesională, autonomă, cu personalitate juridică, neguvernamentală, apolitică, fără scop patrimonial. Scopul Societăţii este de a contribui activ atât la creşterea rolului şi eficienţei activităţii inginerilor energeticieni, cât şi la stabilirea orientărilor, promovarea progresului tehnic şi îmbunătăţirea legislaţiei în domeniul energetic. SIER promovează un schimb larg de informaţii, cunoştinţe şi experienţă între specialiştii din domeniul energetic prin cooperarea cu organizaţii similare naţionale şi internaţionale. În anul 2004 SIER a semnat un acord de parteneriat cu European Copper Institute pentru extinderea şi în România a programului LPQI (Leonardo Power Quality Initiative), program educaţional în domeniul calităţii energiei electrice, realizat cu suportul Comisiei Europene. În calitate de partener al ECI, SIER se va implica în desfăşurarea unei ample activităţi de informare şi de consultanţă a consumatorilor de energie electrică din România. Mulţumiri Acest proiect a fost realizat cu suportul Comunităţii Europene şi al International Copper Association, Ltd. Atenţionare Conţinutul acestui proiect nu reflectă în mod necesar poziţia Comunităţii Europene şi nu implică nici o responsabilitate din partea Comunităţii Europene. European Copper Institute şi Societatea Inginerilor Energeticieni din România îşi declină răspunderea pentru orice daune directe, indirecte, subsidiare sau incindentale care ar putea să rezulte în urma utilizării informaţiilor sau a inabilităţii de a utiliza informaţiile şi datele cuprinse în această publicaţie. . Copyright© European Copper Institute şi Societatea Inginerilor Energeticieni din România.

Reproducerea prezentului document este permisă numai sub forma sa integrală şi cu menţionarea sursei.

European Copper Institute 168 Avenue de Tervueren B-1150 Brussels Belgium Tel: 00 32 2 777 70 70 Fax: 00 32 2 777 70 79 Email: [email protected] Website: www.eurocopper.org

Societatea Inginerilor Energeticieni din RomâniaNo. 1, Lacul Tei Avenue, PO/BOX 30-33 020371 Bucharest Romania Tel: 4 0722 36 19 54 Fax: (4 021) 610 52 83 Email: [email protected] Websites: www.sier.ro

Membră a E U R E L

Armonici

1


În puţin peste 10 ani problema calităţii energiei electrice a depăşit domeniul de interes al specialiştilor fiind privită în prezent ca o problemă de interes major. Societăţile comerciale depind într-o măsură din ce în ce mai mare de energia electrică pentru alimentarea sarcinilor critice, în acelaşi timp însă prin creşterea numărului sarcinilor bazate pe electronică de putere, creşte nivelul distorsiunii armonice în sistemul de alimentare. Echipamentele de filtrare capătă o importanţă din ce în ce mai mare pentru furnizorii de energie electrică şi clienţii lor. Introducere

Problemele determinate de curenţii armonici în instalaţii şi în reţeaua de alimentare au fost analizate în secţiunea 3.1. O mare parte din sarcina industrială, comercială şi casnică are caracteristici neliniare şi nivelul distorsiunii armonice în reţeaua de distribuţie de joasă tensiune a devenit o problemă serioasă. Problemele care ar putea fi determinate de nivelul excesiv al armonicilor de tensiune în reţeaua electrică sunt cunoscute de mult timp şi au fost stabilite proceduri şi standarde pentru a limita aceste distorsiuni. Aceste măsuri au cunoscut un succes deosebit, atunci când problemele pe care le au consumatorii au fost determinate, aproape întotdeauna, de aspecte din interiorul societăţii şi rareori au fost introduse de reţeaua electrică de alimentare. Dacă această situaţie se menţine, consumatorii trebuie să-şi limiteze curentul armonic absorbit din reţea. În consecinţă, consumatorii trebuie să se asigure că este prevăzută filtrarea armonicilor şi dacă este necesar să realizeze acest lucru. În general, există trei metode disponibile, fiecare cu avantajele şi dezavantajele sale. Acestea sunt:

♦ filtre pasive

♦ soluţii utilizând transformatoare − de izolare, zig-zag, grupare fazorială

♦ filtre active.

În această secţiune sunt discutate filtrele active, numite în prezent condiţionere active de armonici (Active Harmonic Conditioners - AHC). Exemplele analizate în lucrare se referă la versiunea comercială realizată de MGE UPS Systems Limited şi care se comercializează sub denumirea de „SineWave”.

Echipamentele de limitare a armonicilor pot fi destinate pentru a satisface cerinţele furnizorilor de energie (adică să corespundă condiţiilor impuse de G5/4 sau altor norme locale echivalente) sau de a rezolva problemele ridicate de curentul armonic în interiorul instalaţiei. Poziţionarea şi selectarea echipamentului depinde de condiţiile particulare şi necesită în mod obişnuit o analiză detaliată privind armonicile.

Acolo unde sunt în funcţiune echipamente informatice (IT), toate armonicile impare existente determină probleme, precum supraîncărcarea conductorului neutru cu armonici de rang multiplu de trei (respectiv multiplu de trei impare). Asemenea probleme pot să fie evitate printr-o proiectare corespunzătoare − prin dimensionarea corectă a cablurilor la instalarea lor − însă, de multe ori, modificarea funcţionalităţilor şi amenajărilor într-o clădire poate să ducă la apariţia acestei probleme după un timp îndelungat după ce clădirea a fost deja dată în funcţiune. Problema este amplificată prin faptul că dotările birourilor sunt frecvent reorganizate, astfel încât circuitele care odată erau relativ „curate” devin puternic poluate. Cu alte cuvinte, se modifică profilul armonic al clădirii, odată cu aducerea de noi echipamente şi relocarea celor existente. Modificările sunt, în mod obişnuit, planificate fără a se ţine seama de efectul pe care acestea îl au asupra infrastructurii electrice a clădirii.

Reamplasarea cablurilor într-o clădire în funcţiune poate fi foarte scumpă şi să ducă la demolări mult prea mari, astfel încât pentru a fi luate în considerare sunt necesare alte metode de limitare. Utilizarea filtrelor pasive este posibilă (a se vedea secţiunea 3.3.1 a acestui Ghid), însă este dificil de proiectat un circuit pasiv eficient, de filtrare pentru armonica de rang trei. Un filtru pasiv va răspunde numai la armonicile pentru care a fost proiectat, încât vor fi necesare noi circuite de filtrare individuale pentru alte frecvenţe armonice nedorite care apar. În unele cazuri, atunci când spectrul armonic se modifică, este necesară reamplasarea sau suplimentarea filtrului pasiv. Transformatoarele în zig-zag sau transformatoarele în triunghi de izolare sunt eficiente contra armonicilor cu rang multiplu de trei, dar nu au efect asupra altor armonici. În aceste cazuri, utilizarea filtrelor active reprezintă o soluţie foarte bună. Topologia filtrelor active

Ideia care stă la baza filtrelor active este relativ veche, însă lipsa unor mijloace tehnice, la un preţ competitiv, a întârziat punerea în practică pentru un număr de ani. În prezent, larga disponibilitate a semiconductoarelor IGBT (insulated gate bipolar transistors) şi a procesoarelor numerice de semnal (Digital Signal Processors - DSP) au determinat ca filtrele active să devină o soluţie practică.


2

Principiul unui filtru activ este simplu; electronica de putere este utlizată pentru generarea armonicilor de curent electric cerute de sarcina neliniară, astfel încât sursa normală de alimentare este destinată să asigure numai componenta fundamentală a curentului. În figura 1 este indicat principiul filtrului activ paralel. Curentul de sarcină este măsurat cu ajutorul transformatorului de curent TC, al cărui curent secundar este analizat de procesorul DSP pentru a determina spectrul armonic. Această informaţie este utilizată de sursa de curent pentru a genera exact armonicile de curent cerute de sarcină, în perioada următoare a fundamentalei. În realitate, curentul armonic cerut de la sursa de alimentare se reduce până la circa 90%. Deoarece filtrul activ se bazează pe datele de la transformatorul de măsurare de curent electric, este adaptabil rapid la modificarea componenţei spectrale a sarcinii. Deoarece procesul de analiză şi generare este controlat prin soft, în fond este simplu de programat echipamentul astfel încât să asigure eliminarea numai a unor armonici în vederea realizării unei eficienţe maxime, în limitele posibile ale echipamentului. Sunt mai multe topologii propuse pentru aceste echipamente şi unele dintre acestea sunt prezentate mai jos. Fiecare topologie are condiţii proprii privind dimensionarea componentelor şi metode specifice de dimensionare a întregului filtru în funcţie de sarcina care trebuie luată în considerare. Filtrele active serie

Acest tip de filtru (FAT − filtru activ de tensiune) − figura 2 − conectat în serie în reţelele de distribuţie, asigură compensarea atât a armonicilor de curent electric generate de sarcină cât şi tensiunea deformată care există în mod obişnuit în reţeaua electrică de alimentare. Această soluţie este asemănătoare din punct de vedere tehnic cu un filtru de reţea şi trebuie dimensionat pentru întreaga sarcină.

Sursă Filtru Sarcină nelineară

Fig. 2 − Filtru activ serie

V~

Impedanţa sursei

Sursă de curent DSP

TCIfund

Curentul fundamental

Isarcină

Curentul de sarcină

Impe

danţ

a lin

iară

a

sarc

inii

Sursa de alimentare

Instalaţie

I3 I5 I7

Filtru activ

Ih

Fig. 1 − Filtru activ paralel.

Cur

entu

l ar

mon

ic


3

Filtrele active paralel

Sunt denumite filtre active paralel (FAC − filtre active de curent) − figura 3 − echipamentele conectate în paralel cu sursa de alimentare şi dimensionate numai pentru curenţii armonici absorbiţi de sarcina (sarcinile) neliniară. Acest tip de filtru, este prezentat detaliat în continuare.

Filtru hibrid

Această soluţie, combinând un filtru activ cu unul pasiv (fig. 4) poate fi întâlnită atât la filtrul paralel cât şi la cel serie. În unele cazuri este soluţia cea mai eficientă economic. Filtrul pasiv realizează filtrarea armonicilor principale (de exemplu, armonica de rang 5), iar filtrul activ, determinat de exactitatea şi dinamica sa, asigură filtrarea celorlalte armonici.

Principiul de funcţionare al filtrului activ paralel

Filtrul activ de curent este conectat în paralel cu reţeaua de alimentare şi în mod constant injectează curenţi armonici care corespund în mod exact componentelor armonice absorbite de sarcină. Ca rezultat curentul electric asigurat de sursa de alimentare rămâne sinusoidal.

Întregul spectrul al armonicilor de joasă frecvenţă, de la cea de rang doi până la cea de rang 25 este compensat.

Dacă curentul armonic absorbit de sarcină este mai mare decât valoarea de dimensionare a filtrului, acesta îşi limitează automat curentul de ieşire la valoarea maximă de dimensionare; filtrul nu poate fi supraîncărcat şi va funcţiona corect până la valoarea maximă a curentului de dimesionare. Excesul de armonici va fi absorbit de la reţeaua de alimentare; filtrul poate funcţiona în mod permanent în această stare, fără a fi deteriorat. Punctul de conectare şi configuraţia

Filtrul activ poate fi amplasat în diferite puncte din reţeaua de distribuţie:

♦ centralizat, în punctul comun de cuplare (PCC), pentru o compensare globală a armonicilor de curent electric (fig. 5. poziţia A)

♦ compensare parţială a armonicilor de curent electric (fig. 5, poziţia B)

♦ în apropierea sarcinii poluante, asigurând o compensare locală a armonicilor de curent electric (fig. 5, poziţia C).

Sursă

Filtru

Sarcină nelineară

Sursă

Filtru

Sarcină nelineară

Fig. 3 − Filtru activ paralel

Fig. 4 − Filtru hibrid


4

De subliniat faptul că filtrul răspunde numai la armonicile din aval, în cazul filtrului din poziţia B de exemplu, vor fi compensate numai armonicile de curent electric din cablul de alimentare 3 şi nu va răspunde la sarcinile de pe celelalte alimentări. Acest lucru permite o mare flexibilitate în proiectarea schemelor de filtrare. Ca la toate filtrele, circuitul spre sarcină rămâne în continuare poluat cu armonici de curent electric; numai circuitul spre reţeaua de alimentare este nepoluat. De remarcat faptul că circuitul spre sarcină trebuie să fie dimensionat ţinând seama de armonici şi de efectul pelicular. În mod ideal, compensarea armonicilor trebuie făcută la locul lor de apariţie. Pentru a optimiza compensarea armonicilor, unele filtre pot fi conectate în diferite configuraţii. Aceste configuraţii pot fi utilizate în orice punct al reţelei de distribuţie, oferind o flexibilitate totală şi posibilitate largă de alegere a strategiei de compensare. Cele mai utilizate configuraţii sunt descrise în următoarele două paragrafe.

MTJT

Tablou principal de JT

TP

Filtruactiv A

Feeder 1 Feeder 2 Feeder n

Filtruactiv B

Alimentare 1 Alimentare 2 Alimentare 3

Tablou secundar

Filtruactiv C

Tablou de alimentare

M M M

Sarcina

Fig. 5 − Sistem de distribuţie radial în trei trepte cu indicarea punctelor în care este posibilă conectarea filtrelor active.


5

Configuraţia paralelă

Această configuraţie, indicată în figura 6, oferă trei posibilităţi diferite:

♦ creşterea capacităţii de compensare într-un punct dat al reţelei de curent alternativ prin conectarea până la patru filtre de aceeaşi valoare nominală;

♦ creşterea capacităţii de compensare pentru o eventuală extindere în viitor a sarcinii;

♦ o mai bună fiabilitate la utilizarea filtrelor de aceeaşi valoare nominală într-un mod redundant de funcţionare.

Configuraţie în cascadă

Această configuraţie, indicată în figura 7, are următoarele avantaje:

♦ creşterea capacităţii totale de compensare utilizând filtre cu aceeaşi valoarea nominală sau cu valori nominale diferite;

♦ compensarea locală a unei anumite sarcini sau a unor armonici şi compensarea globală a unui grup de sarcini neliniare.

Filtru Filtru

Fig. 6 − Configuraţie paralel

Filtru Filtru

Fig. 7 − Configuraţie în cascadă


6

Rezultate ale unei aplicaţii test

Acest capitol prezintă unele rezultate tipice la implementarea filtrelor active la o sarcină neliniară. În figurile de mai jos sunt ilustrate nivelurile de compesare care se pot obţine în cazul unor aplicaţii tipice în industrie şi în clădirile comerciale. Sarcină de tip calculator personal

Sarcina de tip calculator personal este caracterizată de un spectru bogat de armonici de joasă frecvenţă de rang impar, armonicile de rang trei, cinci, şapte şi nouă având un nivel foarte ridicat. Un spectru tipic este indicat în figura 8. Sarcina de acest tip determină un mare număr de probleme, incluzând supraîncărcarea conductorului neutru, supraîncălzirea transformatoarelor şi încălzirea datorată efectului pelicular, aspecte analizate în secţiunea 3.1 a acestui Ghid. Dacă se implementează un filtru activ pentru această sarcină, spectrul curentului absorbit din reţeaua de alimentare este indicat în figura 9. Îmbunătăţirea este vizibilă − factorul de distorsiune total (THDI) se reduce de la 92,6% la 2,9% (de 32 de ori) şi valoarea efectivă a curentului electric scade cu 21%.

Am

plitu

dine

[%]

Numărul armonicii

Fig. 8 − Spectru nefiltrat al unei sarcini de tip calculator personal

Am

plitu

dine

[%]

Numărul armonicii

Fig. 9 − Compensarea completă a sarcinii de tip calculator personal


7

Compensarea completă, aşa cum este indicată în figura 9, necesită un curent mare de la filtru. În funcţie de circumstanţe, poate să nu fie necesară compensarea tuturor armonicilor de curent electric. De exemplu, ar putea apare problema numai a armonicii de rang trei şi atunci este suficient de a elimina numai această armonică. În figura 10 este indicat efectul asupra curentului din sursa de alimentare dacă se programează filtrul pentru a elimina numai armonica de rang trei.

Avantajul acestei soluţii constă în aceea că problema poate fi rezolvată cu un curent mai redus generat de filtru, astfel încât un filtru poate răspunde unei sarcini mult mai mari. Sarcină de tip acţionare cu viteză variabilă

În figura 11 este indicat spectrul tipic al unei sarcini de tipul acţionare cu viteză variabilă, cu sarcină parţială. Nivelul foarte ridicat al componentelor de rang cinci şi şapte poate determina probleme serioase în instalaţii, ca supraîncălzirea transformatoarelor, şi poate conduce la probleme serioase la limitarea armonicilor de curent electric de către furnizorul de energie electrică.

Am

plitu

dine

[%]

Numărul armonicii

Fig. 10 − Compensarea parţială a sarcinii de tip calculator personal

Am

plitu

dine

[%]

Numărul armoniciiFig. 11 − Spectrul armonic tipic, necompensat, al unei sarcini de tip acţionare cu viteză variabilă


8

Implementarea unui filtru activ şi acceptând o compensare completă, determină spectrul armonic indicat în figura 12. În acest caz, factorul total de distorsiune TDHI se reduce de la 124% la 13,4% (de 9,3 ori), cu o reducere de 30% a valorii efective.

Avantajele filtrelor active

Filtrele active au următoarele avantaje: ♦ reducerea factorului de distorsiune de curent TDHI în raport de circa 10:1 ♦ creşterea factorului de putere ♦ nu este afectat de variaţia frecvenţei − de exemplu la funcţionarea pe o sursă de rezervă ♦ nu apare riscul rezonanţelor cu o armonică oarecare ♦ nu poate fi supraîncărcat ♦ flexibilitate ♦ dacă este necesar, poate fi programat să răspundă la o armonică specifică.

Filtrele de armonici oferă o soluţie practică şi simplă pentru probleme care pot fi foarte complexe. Este o soluţie foarte flexibilă, care face ca la schimbările funcţionalităţilor şi a configuraţiei într-o clădire să se găsească o rezolvare simplă.

Am

plitu

dine

[%]

Numărul armonicii

Fig. 12 − Spectrul armonic compensat al unei sarcini de tip acţionare cu viteză variabilă

Parteneri Copper Benelux 168 Avenue de Tervueren B-1150 Brussels Belgium Tel: 00 32 2 777 7090 Fax: 00 32 2 777 7099 Email: [email protected] Web: www.copperbenelux.org Contact: Mr B Dôme

HTW Goebenstrasse 40 D-66117 Saarbruecken Germany Tel: 00 49 681 5867 279 Fax: 00 49 681 5867 302 Email: [email protected] Contact: Prof Dr W Langguth

Copper Development Association Verulam Industrial Estate 224 London Road St Albans AL1 1AQ United Kingdom Tel: 00 44 1727 731205 Fax: 00 44 1727 731216 Email: [email protected] Webs: www.cda.org.uk & www.brass.org Contact: Mrs A Vessey

Istituto Italiano del Rame Via Corradino d’Ascanio 4 I-20142 Milano Italy Tel: 00 39 02 89301330 Fax: 00 39 02 89301513 Email: [email protected] Web: www.iir.it Contact: Mr V Loconsolo

Deutsches Kupferinstitut e.V Am Bonneshof 5 D-40474 Duesseldorf Germany Tel: 00 49 211 4796 323 Fax: 00 49 211 4796 310 Email: [email protected] Web: www.kupferinstitut.de Contact: Mr S Fassbinder

KU Leuven Kasteelpark Arenberg 10 B-3001 Leuven-Heverlee Belgium Tel: 00 32 16 32 10 20 Fax: 00 32 16 32 19 85 Email: [email protected] Contact: Prof Dr R Belmans

ECD Services Via Cardinal Maffi 21 I-27100 Pavia Italy Tel: 00 39 0382 538934 Fax: 00 39 0382 308028 Email: [email protected] Web www.ecd.it Contact:Dr A Baggini

Polish Copper Promotion Centre SA Pl.1 Maja 1-2 PL-50-136 Wroclaw Poland Tel: 00 48 71 78 12 502 Fax: 00 48 71 78 12 504 Email: [email protected] Contact: Mr P Jurasz

European Copper Institute 168 Avenue de Tervueren B-1150 Brussels Belgium Tel: 00 32 2 777 70 70 Fax: 00 32 2 777 70 79 Email: [email protected] Web: www.eurocopper.org Contact: Mr H De Keulenaer

TU Bergamo Viale G Marconi 5 I-24044 Dalmine (BG) Italy Tel: 00 39 035 27 73 07 Fax: 00 39 035 56 27 79 Email: [email protected] Contact: Prof R Colombi

Hevrox Schoebroeckstraat 62 B-3583 Beringen Belgium Tel: 00 32 11 454 420 Fax: 00 32 11 454 423 Email: [email protected] Contact: Mr I Hendrikx

TU Wroclaw Wybrzeze Wyspianskiego 27 PL-50-370 Wroclaw Poland Tel: 00 48 71 32 80 192 Fax: 00 48 71 32 03 596 Email: [email protected] Contact: Prof Dr H Markiewicz

European Copper Institute 168 Avenue de Tervueren B-1150 Brussels Belgium

Tel: 00 32 2 777 70 70 Fax: 00 32 2 777 70 79 Email: [email protected] Website: www.eurocopper.org

Societatea Inginerilor Energeticieni din România No. 1, Lacul Tei Avenue, PO/BOX 30-33 020371 Bucharest Romania

Tel: 4 0722 36 19 54 Fax: (4 021) 610 52 83 Email: [email protected] Websites: www.sier.ro

Membră a E U R E L

Ken West

MGE UPS Systems Ltd Orion House 171-177 High Street Harrow HA3 5EA United Kingdom Tel: 00 44 20 8861 4040 Fax: 00 44 20 8861 2812 Website: www.mgeups.com

Shri Karve

armonici - sier romania · 2013-10-08 · vor fi compensate numai armonicile de curent electric din...

Documents